книги из ГПНТБ / Гроднев, И. И. Линейные сооружения связи учебник

'попытаемся объяснить процессы передачи энергии, например, по волноводам и кабелям. Почему в обычных проводных линиях ('Сим­ метричных, коаксиальных) требуется два провода — прямой и обратный, а в волноводах передача .ведется по одному пустоте­

лому проводу — трубе?

Для пояснения процессов распространения энергии по волно­ воду необходимо оперировать напряженностями электрического и магнитного полей и учитывать картину электромагнитного по­ ля в целом. Теорией электромагнитного поля можно воспользо­ ваться также, для объяснения процессов распространения энер­ гии и по обычным проводным цепям и кабелям, а также иссле­ довать процессы излучения, распространения в воздухе в любом спектре частот от самых низких до сверхвысоких. Если к прово­ дам подключить генератор, создающий эдс, то между провода­ ми возникает переменное электромагнитное поле. Это поле, ок­ ружая провода, движется вдоль них со скоростью, близкой к ско­ рости света. Индуцированное напряжение вызывает движение электронов, которое можно обнаружить в виде тока в проводах.

(Лір), т. е. ток в металлических массах, а шеЕ — ток смещения (Jeu), т. е. ток в диэлектрике.

Первое уравнение означает, что электрическое поле создает вокруг себя линии магнитного поля (рис. 3.3а). Второе уравне­ ние означает, что всякое изменение магнитного поля сопровож­ дается образованием электрического поля (рис. 3.36). В целом изменение одного поля вызывает появление другого поля и в ре­

зультате действует и распространяется комплексное электромаг­ нитное поле (рис. 3.3s).

— 82

Процессы в металлической среде, в проводах и кабелях описы­ ваются уравнениями:

гоtE = — ісорЯ.

Для процессов в диэлектрике, в частности в атмосфере, спра­ ведливы уравнения:

rot Н = /см;

rot/: = — ісорЯ.

Передача по волноводам и радиопередача принципиально оди­ наковы. Отличие состоит в том, что в волноводе энергия сосредо­ точена в ограниченном объеме и передается в заданном направ-

лении. В волноводах наряду с токами смещения имеются также токи проводимости, протекающие в металлических стенках, по­ этому волноводы рассчитываются по полному уравнению Макс­ велла, которое учитывает суммарное действие / см и /Пр-

В кабелях (симметричных и коаксиальных) в прямом и обрат­

(.по замкнутым путям) токи смещения / см. В волноводах (рис. 3.4s) действуют суммарные токи смещения внутри волновода и токи проводимости в его стенках (7СМ+ /Пр).

Во всех случаях токи /Пр и / см являются возбудителями маг­ нитного поля (rot Н). Изменение магнитного поля вызывает по­ явление электрического поля (rot/;). В результате образуется электромагнитное поле, являющееся источником распространения энергии в атмосфере, в кабелях, в волноводах и в любых других направляющих системах. Поэтому энергию можно передавать по

— 83 —

В зависимости от длин используемых волн (Я) и диапазона частот (f) приходится оперировать с различными режимами пе­ редачи и принимать различные значения правой части уравнений' Максвелла для проводящей среды (металла) и диэлектрика.

Статический режим соответствует объемным статическим за­ рядам электрического и магнитного характера.

Стационарный режим относится к случаю передачи по прово­ дам .постоянного тока (аЕ), Постоянный ток создает магнитное поле (rot Я ), а электрическое поле не индуктируется (rot£' = 0).

Квазистационарный режим охватывает сравнительно медленно изменяющиеся поля, когда токами смещения в диэлектрике мож­ но пренебречь. Этот режим справедлив для частот, при которых длина волны существенно больше, чем поперечные размеры ли­ нии (X>D). По этим формулам можно рассчитывать различные проводные системы (воздушные линии, симметричные и коакси­ альные кабели) в диапазоне частот до ІО9 Гц.

Волновой режим описывает процессы в свободном простран­ стве и диэлектрике, где токи проводимости отсутствуют. Этими формулами пользуются при рассмотрении процессов распростра­

нения и излучения волн в радиотехнике.

Электродинамический режим относится к области весьма вы­ соких частот и коротких волн, когда необходимо учитывать как токи проводимости, так и токи смещения. Сюда, в первую очередь,

— 85 —

конфигурацию и распространяется в виде плоской волны, энергиякоторой делится поровну между электрической и магнитной ком­ понентами.

Сильные магнитные поля, как правило, создаются цепями с низким волновым сопротивлением, большим током и малым пе­ репадом напряжений, а интенсивные электрические поля — це­ пями с большим сопротивлением, высоким напряжением и ма­ лым током.

Для плоской волны в свободном пространстве волновое сопро­ тивление равно

значения волнового сопротивления для плоской волны.

Из курса электродинамики известно, что поле, создаваемое источником возмущения (вибратором — антенной), выражаетсяформулой

Электромагнитное поле, действующее в ближней зоне, назы­ вается полем индукции, а в дальней — "полем излучения.

В ближней зоне электрическое и магнитное поля сдвинуты по; фазе на 90° и вектор Пойнтинга имеет лишь реактивную состав­ ляющую. Поэтому в этом случае вся энергия электромагнитногополя сосредоточена около источника возмущения и непрерывныйперенос энергии во внешнее пространство, характерный для про­ цессов излучения, здесь отсутствует. В ближней зоне происходят преимущественно местные перемещения энергии, связанные с пе­ риодическими преобразованиями электрической энергии в магнит­

-87 —

ную и обратно. Однако электрические линии, расположенные в ближней зоне рядом с источником возмущения, подвергаются воздействию и в них наводятся мешающие влияния.

В дальней зоне происходит процесс излучения энергии: часть энергии от источника возмущения переносится во внешнее про­ странство на большее расстояние от источника.

Из выше приведенных формул видно, что энергия зависит от длины волны — X I('соответственно частоты) и расстояния от ис­ точника возмущения — г. Характер этой зависимости различен для ближней и дальней зон. Из формул видно, что составляющая

вится значительно меньше составляющей излучения. Составляю­ щая излучения, имеющая малую величину в ближней зоне, убывает е увеличением расстояния 'существенно медленней і(1/г2) и поэтому она доминирует в дальней зоне. Причем с ростом частоты сос­ тавляющая индукции уменьшается (1//), а составляющая излу­ чения существенно возрастает (/2).

Ниже приведены значения составляющих индукции и излуче­ ния (в условных единицах) для ближней и дальней зон при от­ ношении расстояний 1:100.

Ближняя зона|______ Дальняя зона

Излучение

эффект индукции и часть энергии за счет электрических и магнит­ ных связей 'ответвляется в близко расположенные соседние цепи и проявляется там в виде помех. Поле индукции действует на огра­ ниченные расстояния.

88 —

При X^Za, т. е. в области сверхвысоких частот, когда длина' волны становится соизмеримой с поперечными размерами линии, возникает излучение энергии в-; окружающее пространство (рис. 3.7). Это излучение действует на большие расстояния от линии

а для индукции можно пользоваться квазистационарным режи­ мом:

rot Н = 0;

rot Е = — і © р 7/.

3.4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПО НАПРАВЛЯЮЩИМ СИСТЕМАМ С УЧЕТОМ ИНДУКЦИИ И ИЗЛУЧЕНИЯ

Процесс передачи энергии по направляющим системам (воз­ душные кабельные линии, волноводы и т. д.) характеризуется: во-первых, распространением энергии вдоль системы и, во-вто­

ханием.

Внешнее электромагнитное поле в ближней зоне проявляется в виде индукции и является причиной перехода энергии на со­ седние цепи и появления в них мешающих влияний. В дальней зоне электромагнитное поле приводит к излучению энергии и рас­ пространению ее на большие расстояния.

Рассмотрим процесс распространения энергии по направляю­ щим системам раздельно применительно к явлению индукции, н явлению излучения.

а) Распространение с учетом индукции

Процесс распространения 'вдоль направляющей системы свя­ зан с параметрами передачи: первичными: R — активное сопро­ тивление, L ■— индуктивность; С — емкость, G — проводимость изоляции; вторичными: а — коэффициент затухания, ß — коэф­ фициент фазы, ZB — волновое сопротивление, ѵ — скорость рас­ пространения.

— 89 —

тем, что часть электромагнитной энергии поглощается проводами

.и рассеивается в виде тепловых потерь. Это явление учитывает­ ся первичными параметрами: сопротивлением R и индуктивностью L. Затухание в диэлектрике обусловлено потерями энергии при переменном поле на диэлектрическую поляризацию. Эти процес­ сы характеризуются первичными параметрами: емкостью С и про­ водимостью изоляции G. Затухание в металле с увеличением ча­

стоты возрастает по закону |/7, а затухание в диэлектрике — по закону f.

Индуцированный переход энергии на соседние цепи в ближней зоне обусловлен электрическим и магнитным взаимодействием между цепями. При прохождении тока по какой-либо цепи на про­ водах этой цепи образуются заряды. Эти заряды создают электри­ ческое поле, силовые линии которого, соприкасаясь с соседними проводами, наводят в них помеху и проявляются в виде мешаю­ щего влияния электрического характера. Образующиеся вокруг проводов силовые линии магнитного поля воздействуют на сосед­ ние провода, наводят в них токи помех и проявляются в виде мешающего влияния магнитного характера.

Электрическое влияние характеризуется электрической связью Кі2 , а магнитное — магнитной связью М\2 (рис. 3.8). Кп и

С увеличением частоты переменного тока влияние между цепями существенно возрастает.

б) Распространение с учетом излучения

Процесс излучения высокочастотной энергии связан с потеря­ ми на излучение, поэтому затухание направляющей системы в

этом режиме использования будет состоять не из двух, а из трех составляющих:

— 90 —

трике линейно растут с частотой f, а потери на излучение резко возрастают с увеличением частоты по закону f2.

На рис. 3.9 показана частотная зависимость различных со­ ставляющих потерь энергии. Из графика видно, что потери на из-

лучение, имеющие малый удельный вес в области низких частот,, резко возрастают и становятся доминирующими в области сверх­ высоких частот.

ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ ПО ЛИНИЯМ СВЯЗИ

3.5. УРАВНЕНИЕ ОДНОРОДНОЙ ЛИНИИ

Качество передачи по линейным цепям связи и их электриче­ ские свойства полностью характеризуются первичными парамет­ рами. По физической природе параметры цепи связи аналогичны параметрам колебательных контуров, составленных из элементов R, L, С. Разница состоит лишь в том, что в контурах эти пара­ метры являются сосредоточенными, а в цепях связи они равно­ мерно распределены по всей длине линии. Параметры R и L, включенные последовательно (продольные), образуют суммарное сопротивление Z = R + 'uaL, а параметры G и С (поперечные) — суммарную проводимость У — G+ 'mC. Из указанных четырех па­ раметров лишь R и G обусловливают потери энергии: первый — тепловые потери в проводах и других металлических частях кабе­ ля (экран, оболочка, броня); второй — потери в изоляции.

Рассмотрим однородную цепь связи с первичными параметра­ ми R, L, С и G (рис. 3.10). В начале цепи имеется генератор с сопротивлением Z0, в конце — нагрузка Z;. Обозначим напряже­ ние и ток в начале цепи Uo, h, в конце Ѵі, /;. Выдели^ на рас­

-91 —